Stereomikroskop

Grundprinzip und Abgrenzung

Ein Stereomikroskop ist ein spezielles Lichtmikroskop mit zwei getrennten Strahlengängen, je einem für jedes Auge. Dadurch betrachten die Augen das Präparat aus leicht unterschiedlichen Richtungen und es entsteht ein räumlicher Bildeindruck, der Stereo-Effekt. Üblicherweise bleibt die Vergrößerung unter 100:1, weil die Schärfentiefe bei höheren Vergrößerungen schnell abnimmt und dann kein sinnvoller räumlicher Eindruck mehr entsteht.

Die Bezeichnung „Binokular“ ist dafür ungenau: Ein Binokular ist lediglich ein Bauteil mit zwei Okularen. Auch gewöhnliche Lichtmikroskope können binokular sein. Bei ihnen teilt ein Strahlenteiler ein einziges Bild für beide Augen auf. Das ermöglicht ermüdungsärmeres Beobachten, liefert aber keine zusätzlichen räumlichen Bildinformationen.

Auch die Bezeichnung „Stereolupe“ ist nicht ganz richtig. Anders als eine Lupe besitzt das Stereomikroskop eine zweistufige Vergrößerung durch Objektiv und Okular und gehört damit zu den zusammengesetzten Mikroskopen.

Einsatzgebiete

Stereomikroskope werden in Lehre, Forschung, Technik und bei Freizeitbeschäftigungen verwendet. Ihr räumliches Bild, das große überschaubare Objektfeld und der Platz zwischen Objektiv und Objekt eignen sich besonders für Untersuchungen und feine Arbeiten an dreidimensionalen Gegenständen.

In Biologie, Medizin und Zahntechnik dienen sie unter anderem präparativen Arbeiten und können an Ultramikrotomen eingesetzt werden. Hans Spemanns entwicklungsphysiologische Schnürungsexperimente, für die er 1935 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielt, wurden erst durch das Stereomikroskop möglich. Medizinische Abwandlungen sind das Kolposkop in der Gynäkologie und das Spaltlampenmikroskop in der Augenheilkunde. Operationsmikroskope besitzen meist einen größeren freien Arbeitsabstand und eine Einrichtung für einen zweiten Beobachter; dafür ist ihr Stereoeffekt schwächer.

Weitere Einsatzfelder sind Geologie, Paläontologie, Mineralogie und Materialuntersuchungen. In der Geologie werden großflächige Gesteinsdünnschliffe wegen des großen Objektfeldes häufig stereomikroskopisch untersucht. In der feinmechanischen und elektronischen Industrie dienen die Geräte der Fertigung, Qualitätskontrolle und Überwachung von Fertigungsprozessen und können dafür direkt an Maschinen angebracht sein. Außerdem werden sie in der Kriminalistik zur Spurensicherung sowie bei archäologischen und kunsthandwerklichen Restaurierungen eingesetzt, beispielsweise zur Festigung gelockerter Textilfasern und zur Konservierung von Farbauftrag.

Optische Technik

Die beiden vollständig getrennten Strahlengänge betrachten das Objekt aus Richtungen, die um 11° bis 16° zueinander stehen. Dieser Stereowinkel erzeugt den räumlichen Eindruck und entspricht ungefähr dem Konvergenzwinkel der Augen bei der Nahakkommodation in der „deutlichen Sehweite“ von 25 cm.

Manche Geräte besitzen eine Doppelirisblende im Tubusstrahlengang. Bei Mikroskopen des Fernrohrtyps kann sie mithilfe eines Zwischentubus in den parallelen Unendlichstrahlengang eingesetzt werden. Abblenden erhöht die Tiefenschärfe, also das axiale Auflösungsvermögen, besonders bei der Mikrofotografie. Gleichzeitig verringert es jedoch das laterale Auflösungsvermögen. Werden mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Schärfeebenen durch ein Bildverarbeitungsprogramm gestackt, ist die Doppelirisblende überflüssig.

Stereomikroskope beruhen hauptsächlich auf zwei Konstruktionsprinzipien: dem Greenough-Typ mit zwei getrennten Objektiven und dem auf Ernst Abbe zurückgehenden Fernrohrtyp mit einem gemeinsamen Hauptobjektiv.

Die beiden Haupttypen

Beim Greenough-Typ sind beide Strahlengänge konstruktiv vollständig getrennt. Zwei Objektive sitzen in einer gemeinsamen Fassung; ihre optischen Achsen sind um etwa 14° gegeneinander geneigt. Vorteile sind der niedrigere Preis und die bessere Abbildungsqualität. Zusatzeinrichtungen für Koaxialbeleuchtung, Mikrofotografie und Zeichentuben lassen sich dagegen schwieriger anbringen. Zeichnen ist mit einem Zeichenokular möglich. Das erste Greenough-Mikroskop wurde auf Anregung des amerikanischen Zoologen Horatio S. Greenough 1892 von Carl Zeiss in Jena gefertigt.

Der Fernrohr- oder Abbe-Typ besitzt für beide Strahlengänge ein gemeinsames Hauptobjektiv mit großem Durchmesser. Blenden hinter diesem Objektiv wählen Randstrahlen aus, die es in einem Winkel von 11° durchsetzen. Da das Zwischenbild in unendlicher Entfernung liegt, wird vor dem Okular eine zusätzliche Tubuslinse benötigt.

Der Abbe-Typ bietet einen von der Vergrößerung unabhängigen, konstanten Arbeitsabstand. Zusatzeinrichtungen zum Zeichnen, zur Mikrofotografie und zur Koaxialbeleuchtung lassen sich leicht anbringen. Ein in einer Walze im Unendlichstrahlengang untergebrachtes Fernrohrsystem ermöglicht den bequemen Vergrößerungswechsel. Dabei handelt es sich um ein galileisches oder holländisches Fernrohr aus einer Sammel- und einer Zerstreuungslinse. Heute sind bei beiden Bauarten pankratische Zoom-Systeme weit verbreitet.

Nachteile des Fernrohrtyps sind eine geringfügig schlechtere Abbildungsqualität, weil die Strahlengänge das Hauptobjektiv schräg zur optischen Achse durchlaufen, sowie der sogenannte Dom-Effekt. Dabei erscheinen flache Objekte wie Fossilien in Schieferplatten oder Leiterplatten besonders bei niedriger Vergrößerung stark gewölbt. Ursache sind Bildfeldwölbung und starke kissenförmige Verzeichnung. Teurere Plan-Objektive korrigieren diesen Fehler bei neueren Geräten weitgehend. Der Fernrohrtyp wurde erstmals im Stereomikroskop SM XX „Citoplast“ von Carl Zeiss Jena verwirklicht: Es wurde 1936 entwickelt und ging nach dem Wiederaufbau des Werkes 1946 in Serienproduktion.

Sonderformen

Für Stereomikroskope des Fernrohrtyps bot Zeiss Göttingen Doppelobjektive an, die das gemeinsame Hauptobjektiv ersetzten. Damit ließ sich die bessere Abbildungsqualität des Greenough-Typs mit einem Gerät des Fernrohrtyps verbinden.

Für die Mikrofotografie kann das Hauptobjektiv seitlich verschoben werden, bis seine optische Achse mit der Achse des Fotostrahlengangs zusammenfällt. Dann werden objektivnahe Strahlen genutzt und Abbildungsfehler vermindert. Dazu dient eine verschiebbare Fassung im parallelen Unendlichstrahlengang, beispielsweise bei Geräten von Wild/Leica oder Askania.

Die „Mikroskop-Basis Stereo“ von Zeiss Oberkochen kombinierte ein kleines Stativ mit Hauptobjektiv und Prismensystem mit einem aufgesetzten Taschenfernglas. So entstand ein leichtes Reisemikroskop mit konstanter 12-, 16- oder 20-facher Vergrößerung für biologische und paläontologische Feldarbeiten.

Ein Makroskop von Leica/Wild Heerbrugg ähnelt äußerlich einem Stereomikroskop, ist aber ein Auflicht-Fotomikroskop für niedrige Vergrößerungen. Es besitzt zwei Okulare und eine Bildaufrichtung, erzeugt jedoch kein räumliches Bild. Deshalb eignet es sich für möglichst fehlerarme Fotografie, nicht für präparative Arbeiten. Solche Geräte sind gewöhnlich noch deutlich teurer als hochwertige Stereomikroskope des Fernrohrtyps.

Beleuchtung, Zubehör und Hersteller

Meist werden die Objekte von oben beleuchtet. Eine Durchlichtbeleuchtung im Stativfuß kann eingebaut oder als Zubehör erhältlich sein und eignet sich etwa für biologische Objekte. Moderne Durchlichteinrichtungen ermöglichen auch Dunkelfeldbeleuchtung sowie Mischlicht von oben und unten. Vertiefungen wie Bohrungen lassen sich bei Geräten des Fernrohrtyps koaxial beleuchten. Am Hauptobjektiv befestigte Ringleuchten sorgen für eine schattenfreie Ausleuchtung. Entwicklungsphysiologische Untersuchungen verwenden häufig UV-Licht; außerdem können eine oder mehrere abgesetzte Kaltlichtleuchten als Punktstrahler dienen.

Für großflächige Gesteinsdünnschliffe gibt es Polarisationsdrehtische mit Analysator und einschiebbaren Hilfsobjekten wie Lambda-Plättchen. Der Analysator wird vor der Frontlinse des Objektivs befestigt. Für biologische Präparationen stehen austauschbare Stative zur Verfügung, darunter Freiarmstative für größere Objekte.

Zu den genannten Herstellern in Deutschland und der Schweiz gehören Carl Zeiss, Leica Microsystems mit den Vorläuferunternehmen Leitz und Wild Heerbrugg, Askania Mikroskoptechnik Rathenow und Kaps. Japanische Hersteller sind unter anderem Nikon und Olympus.